PTC数字化转型顾问高谊：数字孪生概念的物联网实践

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数字孪生时代的物联网

数字孪生是跨越实体全生命周期的对象或系统的数字化虚拟表示，基于实时的数据更新，并使用模拟或机器学习的模型进行推理帮助决策。作为产品设计、制造服务等软件系统的传统供应商，PTC认为数字孪生从单体讲是物理资产、流程工艺以及人员的三种抽象对象的虚拟表示，可以用来理解和预测其物理对象。

数字孪生有三个重要的组成部分： 一是对其物理实体本身的数字化定义；二是对其物理实体的操作和体验数据记录；三是信息化模型，比如人机交互界面等等的可视化。数字孪生的价值就是将这三个要素关联呈现和分析，以推动判断、预测等决策的制定。数字孪生有多种形式，具有复杂性，但可以在四个物理领域进行提炼。

首先是资产方面。 从制造商的设计生产和交付，再到客户的使用环境中运行直到退役，这个过程可以捕获产品全生命周期的数据信息。

其次，在流程方面。 制造业务流程和资产运营过程中的各个环节的业务流程贯穿于创造产品和运行服务的始终，并随着时间不断地变化。

第三是人员方面。 向工作人员提供任务信息，并获取实时的操作数据，以提高流程的效率和安全性。而数字孪生的终极目标是将以上三个孪生对象集成在一起，建立基于任何场所的环境数字孪生，如数字孪生化的工厂或工作场所，用来深入了解运营环境中的复杂工作状态，并与之尽可能地进行实时交互。

近两年,数字孪生的概念超越了工业互联网的概念，正是因为市场已经从技术关切转向了对业务价值的关切。但数字孪生应用并不是新的场景，从M2M兴起之时已经有类似的业务场景。数字孪生体之间需要通过实时和动态的数据互通来满足他们的运行条件。传统的物联网往往只实现了较小的场景，比如采集和存储单一参数的数字化副本和状态逻辑信息，这意味着无法满足更复杂的业务场景和价值需求。而数字孪生的全量化概念，高同步性特征和业务场景的闭环，需要大规模的物联网基础设施，比如高速低耗的网络通讯能力；开放的协议和数据兼容性；大规模的、云化的承载能力；强大的数据挖掘和分析能力；低成本和门槛的应用开发工具；新一代的移动化的、基于空间和多感官维度的人机交互能力等等，为资产流程和人员之间提供真正双向的实时链接，并为之而来的革命性应用场景去赋能。

据市场调查，预计到2023年，数字孪生的市场规模将达到160亿美元，分析师认为物联网将是这一增长的基石。据IDC预测，30%的全球200强企业将采用与物联网技术相关的产品、资产的数据，实现数字孪生场景。

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物联网如何赋能数字孪生

1.资产的数字孪生——物联网提供了对整个资产全生命周期的可见性

产品遥测技术为工程师和产品设计师提供了对已部署的资产或资产的组合运行过程中的差异行为特征，它提供了一个参考框架，用来比较预期的和实际运行的产品的使用状况的差异，这是只有物联网才能提供的一个非常强大的洞察技术框架，可以指导未来产品的迭代与开发。这种基于用户体验的适用性，可以替换或修改某些产品的功能特性，直到深入了解产品每个零部件的具体性能。通过跨职能部门的协作，将可见性扩展到对产品更深刻的洞察，就可以提高全生态链的效率，包括在设计制造和服务的过程中及时地进行有效地调整，以降低报废返工，加快交货周期，提高服务质量。

2.过程(工艺)的数字孪生——物联网开启更深层次的运营智能

许多生产运营流程受到两个因素的困扰，差异化、黑箱化的信息源。物联网实现了对这些未知见解的规范，就像一个流程的Hub，将不同来源的实时和历史记录系统中的数据和业务总线化，实现按需互联，这些相互关联的资产和人员的孪生体，以及他们之间的互动信息汇聚，对于执行流程的洞察至关重要。

这本质上是构建了一个纵观整个工业运行环境的实时化的承载系统。物联网通过对过程的洞察，可以驱动关键的制造KPI，例如通过物联网驱动的预测性分析，来改善工厂单个资产的正常运行时间，就可以极大地提高产能。而数字孪生的生产线可以通过增强了的运营管理的可视性和洞察力，逐步优化各种瓶颈。 这种基于对不同资产运作过程的相互关联，所实现的运营智能，为厂家提供了实时化的、360度的经营流程可见性。通过保持充分的灵活性和敏捷性，以适应当今这个不断变化的客户需求和市场竞争的复杂环境。

3.服务的数字孪生——物联网优化维保

产品在最终客户环境中的许多运行条件和运行状态性能指标是制造商和客户以往都无法充分了解的。由于维护和服务是减少资产停机时间和增强产品竞争力的关键环节，基于物联网的数字孪生应用，可以极大地改善这些指标，并为厂商带来新的收入来源。数字孪生可以增强远程服务的物联网场景，以往的物联网往往采用MQTT等协议来进行资产监控，而在这些数字孪生的场景当中，可以为已经部署的资产实现诸如远程桌面、软件更新、配置调整、安全补丁、状态分析、远程诊断或重新启动等远程操作，而无需向现场派遣技术人员。现在物联网的灵活性可以使关键任务系统按秒来采集数据，以通知服务，或者以更高的频率来优化资产，所有这些都取决于数字孪生场景的能力要求。

遥测数据还可以被输入到已经部署资产的数字孪生体中，利用产品设计阶段预期的模拟机器性能的历史模型，以获得其健康状态的趋势。也可以获得人工智能技术的支撑——采用混合了基于机理模型和机器学习技术的下一代预测性维护模式，根据实时传输的传感器数据，减少计划外停机时间，进一步优化资产的利用率。

4.数字孪生的应用

工程：

通过对离散制造商的智能产品进行洞察，数字孪生实现了“产品之声”——用事实取代了对使用的假设。通过优化功能和设计，加速了产品的迭代的速度。在产品开发和设计工程角度，它包含了几个用例：

首先是数字化产品的可追溯性——围绕产品系统信息的视图或数字化主线，提供通用的数据访问能力，从而实现从需求到设计、测试、制造及对产品在现场的行为的可见性。

优化产品的数据采集能力——产品的设计优化过程可以通过对产品的数字孪生体，将现实世界的性能数据和原始设计功能模型进行叠加，为仿真工程提供信息，以提高设计的质量和完整性。

最后基于产品运营过程中所验证过的使用需求信息，改善产品和服务对市场的适应性，实现基于产品的增值服务的能力。

制造：

通过利用数字孪生体的流程洞察能力，企业可以提高生产的可见性和规划能力，增强运营的敏捷性，增加产能，并优化整个供应链的流程效率。制造环节的数字孪生关键应用场景包括：

互联的运营智能——结合分析和提供来自不同的资产运营商和企业系统的见解，使其获得实时的可见性。统一的KPI用来提高运营绩效并作出高效的决策。

动态的流程或工艺的分布指导——集成了和连接了工厂资产以及ERP、MES等信息化系统。结合增强现实体验(AR)，提供跨部门的应用程序，实现基于角色的动态视图。它提供了高度准确的工作指导，提高操作人员的生产力，改善产品质量。

互联的质量和验证体系——通过数字孪生体比较设计和装配的实际数据，验证正确的设计迭代、系统要求和产品质量的检查列表。

服务：

通过客户成功的视角，数字孪生可以创建增强的产品性能和服务交付能力。通过增加正常运行的时间和压缩解决问题的时间，来提高客户的满意度。

数字孪生在服务的关键应用场景，包括自适应的现场服务——结合资产实时和历史的数据，通过增强现实体验或跨领域的应用程序，提供特定资产的场景化工作指导，以提高技术人员的效率和首次的修复率。 通过预测性分析——监测联网产品和资产的阈值异常，并提供实时化的警告，以便从被动式维护转变为基于状态的主动性维护，提高服务水平，增强远程服务能力。

通过数字孪生技术实现远程访问和远程服务——包括远程的软件更新、远程的诊断，以增加产品和资产的正常运行时间，减少现场服务的成本和客户的投诉。

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数字孪生实践

PTC结合以上方法论和技术能力不断探索数字孪生场景下的解决方案。

场景一：

Howden公司是一家全球领先的工业机械制造商，拥有160多年的旋转设备设计和制造经验，公司正在着手实施全面的数字化转型战略。通过与PTC的合作，Howden正在采用增强现实、物联网等技术，来展示沉浸式体验的力量。它的目标之一是使用数字孪生技术提高已经部署的产品的正常运行时间，降低客户的业务风险。

为了提高其产品的正常运行时间，Howden将新技术融入到了其高度工程化的压缩机中，收集和分析关键设备的数据，帮助客户优化设备性能和运营的效率。由Howden数字孪生压缩机提供的智能分析技术，可以帮助客户优化设备性能和运行的效率。完整的AI体验和Howden产品的三维模型集成，提供7×24小时全天候的支持。预测性维护作为一种服务，可以避免关键资产的计划外停机故障。围绕客户的设备运行过程提供性能的优化和需求的优化，Howden同时也在增强自己的服务和支持能力，创造新的业务价值。

场景二：

空间计算和分析的新兴技术，正在使得基于现场的数字孪生成为可能。通过整合多组的数据，可以鸟瞰车间或工厂的细节。空间分析提供了对实体空间内目标移动和过程状态的可见性，并可以就如何改善流程和绩效提出数据驱动的建议。

场景三：

这是PTC国内的业务伙伴为一家高科技企业实施的园区级数字孪生项目，是基于工业互联网平台的数字化主线框架，对企业园区内各类制造资产的连接，以及楼宇安防、消防、视频能源和人员及停车系统的集成，为园区应急管理和突发事件处置提供了360度数字孪生视图。下一步将与该企业的数据底座相结合，提供服务于生产端的数字孪生业务应用。

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企业数字化转型的价值驱动

随着物联网技术被应用到资产、流程和人员中，数字孪生体的完全保真度将得以实现。这些鲜活的数据也将成为下一代应用场景的入口。因为它获得了机理模型、人工智能和计算机视觉增强现实技术的应用加持。在现代工业企业中有无数的机会可以利用数字孪生带来的多种功能获得创新的能力。

由于围绕资产流程和环境的数据活动，可能是离散和孤立的，因此起步阶段可能会有一定的挑战性。推动企业数字化转型需要定制统一的战略和框架，打破信息孤岛，将多个数据源结合起来，提高效率，并获得更高层次的洞察能力。数字孪生就是一种倡议和框架，帮助将不同的资源导向这些统一的目标。但要实现这些概念，企业需要确定业务痛点，集合跨职能的利益相关者，并为孪生确定数字化任务。 数字孪生正在迅速地被证明是数字化转型的关键战略加速器，可以释放工业互联网和增强现实所创造的数据价值。

关键词： 增强现实 正常运行时间